DE102021207736A1 - Pressure sensor with contact detection of the deflection of the membrane and pressure sensor system - Google Patents
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Abstract
Mit der vorliegenden Erfindung wird sowohl ein mikromechanisches Drucksensorelement als auch ein Drucksensorsystem mit einem derartigen Drucksensorelement beansprucht, bei dem das Drucksensorelement bei einem vorbestimmten anliegenden ersten Druck einen elektrischen Kontakt schließt. Hierzu ist vorgesehen, dass das Drucksensorelement eine Membran aufweist, die durch einen anliegenden Druck bewegt beziehungsweise ausgelenkt werden kann. Unter der Membran ist eine erste Kaverne vorgesehen, in die die Membran ausgelenkt werden kann. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass zwei Kontaktelemente vorgesehen sind, die in Abhängigkeit der Überschreitung eines ersten anliegenden Drucks miteinander in Kontakt treten, insbesondere über einen mechanischen Kontakt, so dass ein elektrischer Kontakt geschlossen wird. Hierbei ist wenigstens ein erstes Kontaktelement, welches direkt oder indirekt mit der Membran verbunden ist, sowie ein zweites Kontaktelement, welches direkt oder indirekt mit dem Kavernenboden verbunden ist, vorgesehen.The present invention claims both a micromechanical pressure sensor element and a pressure sensor system with such a pressure sensor element in which the pressure sensor element closes an electrical contact when a predetermined first pressure is applied. For this purpose it is provided that the pressure sensor element has a membrane which can be moved or deflected by an applied pressure. A first cavern is provided under the membrane, into which the membrane can be deflected. The essence of the invention is that two contact elements are provided, which come into contact with one another depending on whether a first applied pressure is exceeded, in particular via a mechanical contact, so that an electrical contact is closed. At least one first contact element, which is directly or indirectly connected to the membrane, and a second contact element, which is directly or indirectly connected to the cavern floor, are provided here.
Description
Die Erfindung betrifft ein Drucksensorelement, das eine Kontakterkennung der Auslenkung der Membran in Folge eines anliegenden Drucks aufweist, sowie ein Drucksensorsystem mit einem derartigen Drucksensorelement und ein Verfahren zur Erzeugung eines Drucksensorsignals mit einem derartigen Drucksensorelement.The invention relates to a pressure sensor element that has contact detection of the deflection of the membrane as a result of an applied pressure, as well as a pressure sensor system with such a pressure sensor element and a method for generating a pressure sensor signal with such a pressure sensor element.
Stand der TechnikState of the art
Ein typischer mikromechanischer Drucksensor weist üblicherweise eine Membran auf, die durch den anliegenden Druck durchgebogen wird. Diese druckabhängige Durchbiegung der Membran kann durch auf oder an der Membran angebrachte Piezoelemente erfasst werden. Alternativ kann die Bewegung der Membran auch durch eine Kondensatoranordnung erfasst werden, in dem eine an der Membran bewegliche Elektrode und eine am Gehäuse oder dem Träger des Drucksensorelements starre bzw. nicht bewegliche Gegenelektrode angebracht ist. Das druckabhängige Sensorsignal kann dabei durch die Änderung der Kapazität zwischen den beiden Elektroden abgeleitet werden.A typical micromechanical pressure sensor usually has a membrane that is deflected by the applied pressure. This pressure-dependent deflection of the membrane can be detected by piezo elements attached to or on the membrane. Alternatively, the movement of the membrane can also be detected by a capacitor arrangement in which an electrode that can move on the membrane and a counter-electrode that is rigid or non-movable on the housing or the carrier of the pressure sensor element are attached. The pressure-dependent sensor signal can be derived from the change in capacitance between the two electrodes.
Generell besteht die Gefahr, dass die Membran zu weit durchgebogen wird, so dass es zu einer Beschädigung der Membran kommen kann. Darüber hinaus stellt die Durchbiegung der Membran nur in bestimmten Auslenkungsbereiche eine lineare Abhängigkeit von dem anliegenden Druck dar, insbesondere wenn ein Teil der Membran auf dem Boden der zugehörigen Kaverne aufliegt. Somit muss das Sensorsignal außerhalb eines bestimmten Druckbereichs entsprechend angepasst werden, um den tatsächlich anliegenden Druck zu erfassen. Bei kapazitiv arbeitenden Drucksensoren kann es zusätzlich zu einer Beschädigung der Elektroden kommen, wenn sich diese berühren, insbesondere durch einen kurzen heftigen Druckstoß.In general, there is a risk that the membrane will be bent too far, so that the membrane can be damaged. In addition, the deflection of the membrane is only linearly dependent on the applied pressure in certain deflection ranges, in particular when part of the membrane rests on the floor of the associated cavern. The sensor signal must therefore be adjusted outside of a specific pressure range in order to record the pressure that is actually present. In the case of pressure sensors that work capacitively, the electrodes can also be damaged if they touch, in particular as a result of a short, violent pressure surge.
Aus der Schrift
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Drucksensor beschrieben werden, der die Annäherung der Membran an einen Anschlag erkennt, um die Auswertung des Drucksensorsignals zu erleichtern.The aim of the present invention is to describe a pressure sensor which detects the approach of the membrane to a stop in order to facilitate the evaluation of the pressure sensor signal.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Mit der vorliegenden Erfindung wird sowohl ein mikromechanisches Drucksensorelement als auch ein Drucksensorsystem mit einem derartigen Drucksensorelement beansprucht, bei dem das Drucksensorelement bei einem vorbestimmten anliegenden ersten Druck einen elektrischen Kontakt schließt. Hierzu ist vorgesehen, dass das Drucksensorelement eine Membran aufweist, die durch einen anliegenden Druck bewegt beziehungsweise ausgelenkt werden kann. Unter der Membran ist eine erste Kaverne vorgesehen, in die die Membran ausgelenkt werden kann. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass zwei Kontaktelemente vorgesehen sind, die in Abhängigkeit der Überschreitung des ersten anliegenden Drucks miteinander in Kontakt treten, insbesondere über einen mechanischen Kontakt, so dass ein elektrischer Kontakt geschlossen wird. Hierbei ist wenigstens ein erstes Kontaktelement, welches direkt oder indirekt mit der Membran verbunden ist, sowie ein zweites Kontaktelement, welches direkt oder indirekt mit dem Kavernenboden verbunden ist, vorgesehen.The present invention claims both a micromechanical pressure sensor element and a pressure sensor system with such a pressure sensor element in which the pressure sensor element closes an electrical contact when a predetermined first pressure is applied. For this purpose it is provided that the pressure sensor element has a membrane which can be moved or deflected by an applied pressure. A first cavern is provided under the membrane, into which the membrane can be deflected. The essence of the invention is that two contact elements are provided, which come into contact with one another depending on the exceeding of the first applied pressure, in particular via a mechanical contact, so that an electrical contact is closed. Here, at least a first contact element is provided, which is connected directly or indirectly to the membrane, and a second contact element, which is connected directly or indirectly to the cavern floor.
Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung ist, dass durch eine geeignete Anbringung der beiden Kontaktelemente der Abstand der Membran vom Anschlag auf dem Kavernenboden erfasst werden kann. So kann eine entsprechende Positionierung und Ausgestaltung der beiden Kontaktelemente vorgesehen sein, bei der der elektrische Kontakt geschlossen wird, noch bevor die Membran derart weit ausgelenkt wird, dass sie auf den Kavernenboden aufsetzt.The advantage of such a configuration is that the distance of the membrane from the stop on the cavern floor can be detected by a suitable attachment of the two contact elements. A corresponding positioning and design of the two contact elements can be provided, in which case the electrical contact is closed even before the membrane is deflected to such an extent that it touches the cavern floor.
Die Einstellung des Abstands der Membran vom Kavernenboden lässt sich beispielsweise über die Verwendung und Dimensionierung wenigstens eines Abstandselement erreichen. Ein derartiges Abstandselement kann beispielsweise direkt oder indirekt an der Membran angebracht sein. Wird die Membran dabei durch einen anliegenden Druck ausgelenkt, bewegt sich das Abstandselement ebenfalls mit der Auslenkung der Membran in Richtung des Kavernenboden, bis es aufsetzt. Indem am unteren Ende des Abstandselements das erste Kontaktelement angebracht ist und entsprechend im Bereich der Aufsetzstelle auf dem Kavernenboden das zweite Kontaktelement vorgesehen ist, wird durch ein Aufsetzen ein elektrischer Kontaktschluss erreicht.The distance between the membrane and the cavern floor can be adjusted, for example, by using and dimensioning at least one spacer element. Such a spacer element can, for example, be attached directly or indirectly to the membrane. If the membrane is deflected by an applied pressure, the spacer element also moves with the deflection of the membrane in the direction of the cavern floor until it touches down. Because the first contact element is attached to the lower end of the spacer element and the second contact element is provided correspondingly in the region of the contact point on the cavern floor, an electrical contact closure is achieved by contacting it.
In einer alternativen Ausgestaltung wird auf dem Kavernenboden wenigstens ein Abstandselement aufgebracht, an dessen Ende, zur Membran hin, das zweite Kontaktelement angebracht ist. Indem an der Membran das erste Kontaktelement angebracht ist, welches bei einer Auslenkung der Membran auf das zweite Kontaktelement gebracht wird, kann auch mit dieser Ausgestaltung ein Kontaktschluss erreicht werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine kleinere Masse mit der Membran bewegt werden muss.In an alternative embodiment, at least one spacer element is applied to the cavern floor, at the end of which, towards the membrane, the second contact element is attached. By the first contact element being attached to the membrane, which is brought onto the second contact element when the membrane is deflected is, a contact closure can also be achieved with this configuration. This configuration has the advantage that a smaller mass has to be moved with the membrane.
Das erfindungsgemäße Drucksensorelement kann sowohl eine Erfassung der Auslenkung mittels Piezoelementen auf oder in der Membran als auch eine Erfassung mittels einer kapazitiven Sensorauswertung aufweisen. Bei der Verwendung einer kapazitiven Auswertung ist vorgesehen, dass die Membran direkt oder indirekt eine erste Elektrode aufweist. Dabei kann die erste Elektrode direkt in die Membran integriert sein oder in Form einer Aufhängung, zum Beispiel als Amboss, am unteren Ende angeordnet sein. Letzteres hat den Vorteil, dass eine ebene erste Elektrode erzeugt werden kann, die sich parallel zur Verbiegung der Membran auf eine am oder im Kavernenboden vorgesehene zweite Elektrode bewegen lässt. Gemeinsam bilden somit die erste und zweite Elektrode eine erste Messkapazität, die sich in Abhängigkeit des an die Membran anliegenden Drucks und somit des Abstands beider Elektroden ändert.The pressure sensor element according to the invention can have both a detection of the deflection by means of piezo elements on or in the membrane and a detection by means of a capacitive sensor evaluation. When using a capacitive evaluation, it is provided that the membrane has a first electrode directly or indirectly. In this case, the first electrode can be integrated directly into the membrane or arranged in the form of a suspension, for example as an anvil, at the lower end. The latter has the advantage that a planar first electrode can be produced, which can be moved parallel to the bending of the membrane onto a second electrode provided on or in the cavern floor. Together, the first and second electrodes thus form a first measuring capacitance, which changes as a function of the pressure applied to the membrane and thus of the distance between the two electrodes.
Bei der Verwendung von Elektroden als Messwerterfassung des Drucksensorelements kann vorgesehen sein, dass das wenigstens erste Kontaktelement seitlich an der ersten Elektrode und das wenigstens zweite Kontaktelement seitlich an der zweiten Elektrode angebracht ist. Da sowohl die Elektroden als auch die Kontaktelemente elektrische Signale liefern sollen, ist dabei darauf zu achten, dass wenigstens eine der Elektroden elektrisch von den Kontaktelementen getrennt ist.When using electrodes to acquire the measured values of the pressure sensor element, it can be provided that at least the first contact element is attached to the side of the first electrode and the at least second contact element is attached to the side of the second electrode. Since both the electrodes and the contact elements are intended to supply electrical signals, care must be taken that at least one of the electrodes is electrically isolated from the contact elements.
Durch die Verwendung der Kontaktelemente sowie deren mechanischen und elektrischen Kontakts beim Erreichen der ersten Druckgröße kann darüber hinaus eine zweistufige Druckerfassung realisiert werden. So kann vorgesehen sein, dass bei Vorliegen des Aufsetzens des ersten auf dem zweiten Kontaktelement die Membran noch nicht den darunter befindlichen Kavernenboden berührt sondern stattdessen noch ausreichend Abstand für eine weitere Auslenkung der Membran vorliegt. Entsprechend kann bei einem kapazitiven Messprinzip vorgesehen sein, dass die beiden Elektroden inklusive einer eventuell vorhandenen Isolierungsschicht sich noch nicht berühren. In diesem Fall kann das Drucksensorelement derart vorgesehen sein, dass sich durch das Aufsetzen der Kontaktelemente die effektive Membranfläche, auf die der anliegenden Druck zur Auslenkung der Membran wirkt, lediglich verkleinert. So ist vorgesehen, dass bei einem weiter ansteigende Druck die Membran weiter ausgelenkt wird und somit ein weiteres druckabhängiges Signal erzeugt werden kann, bis die Membran endgültig auf dem Kavernenboden aufsitzt oder sich die beiden Elektroden mechanisch berühren. Alternativ kann auch ein Anschlag vorgesehen sein, um eventuell die Membran vor eine Schädigung zu bewahren. Durch die verkleinerte Membranfläche ist jedoch oberhalb der ersten Druckgröße eine veränderte Druckabhängigkeit zu berücksichtigen. Bei der entsprechenden Sensorauswertung kann dieser Übergang anhand des erzeugten Kontaktschlusses erkannt werden.Furthermore, by using the contact elements and their mechanical and electrical contact when the first pressure variable is reached, a two-stage pressure detection can be implemented. Thus, it can be provided that when the first contact element is placed on the second contact element, the membrane does not yet touch the cavern floor underneath, but instead there is still sufficient distance for further deflection of the membrane. Correspondingly, with a capacitive measuring principle, it can be provided that the two electrodes, including any insulating layer that may be present, do not yet touch. In this case, the pressure sensor element can be provided in such a way that the effective membrane area, on which the applied pressure for deflecting the membrane acts, is merely reduced by the placement of the contact elements. It is provided that if the pressure continues to rise, the membrane is further deflected and thus a further pressure-dependent signal can be generated until the membrane finally rests on the cavern floor or the two electrodes touch mechanically. Alternatively, a stop can also be provided in order to possibly protect the membrane from damage. Due to the reduced membrane area, however, a changed pressure dependence must be taken into account above the first pressure variable. With the corresponding sensor evaluation, this transition can be recognized based on the contact closure that is generated.
Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung liegt darin, dass mit einem Drucksensorelement die Erfassung zweier unterschiedlicher und insbesondere angrenzender Druckbereiche insbesondere lückenlos realisiert werden kann. Hierbei kann in einem ersten Druckbereich bis zu dem ersten Druck eine höhere Auflösung realisiert werden, wobei im zweiten, höheren Druckbereich eine robustere Ausgestaltung vorliegt. Kurzzeitige Druckspitzen oberhalb eines bevorzugten Druckbereichs können somit ebenfalls erfasst und ausgewertet werden, ohne die Funktion des Drucksensorelements zu gefährden.The advantage of such an embodiment is that with one pressure sensor element, two different and in particular adjacent pressure ranges can be detected without gaps. A higher resolution can be realized in a first pressure range up to the first pressure, with a more robust configuration being present in the second, higher pressure range. Brief pressure peaks above a preferred pressure range can thus also be detected and evaluated without jeopardizing the function of the pressure sensor element.
Zusätzlich wird eine Ausgestaltung beansprucht, bei der neben einem ersten erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensorelement ein zweites mikromechanisches Drucksensorelements verwendet wird. Dabei weist das zweite mikromechanische Drucksensorelement einen gleichen oder zumindest ähnlichen Aufbau aus. Das bedeutet, dass auch das zweite mikromechanische Drucksensorelement eine Membran aufweist, die durch einen anliegenden Druck bewegt werden kann, insbesondere in Richtung einer unter der Membran befindlichen Kaverne. Dieses zweite Drucksensorelement hat zudem ebenfalls zwei Kontaktelemente, die sowohl direkt oder indirekt an der Membran als auch an oder auf dem Kavernenboden angebracht sind.In addition, an embodiment is claimed in which a second micromechanical pressure sensor element is used in addition to a first micromechanical pressure sensor element according to the invention. The second micromechanical pressure sensor element has the same or at least a similar structure. This means that the second micromechanical pressure sensor element also has a membrane that can be moved by an applied pressure, in particular in the direction of a cavity located under the membrane. This second pressure sensor element also has two contact elements, which are attached both directly or indirectly to the membrane and to or on the cavern floor.
Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung mittels wenigstens zweier Drucksensorelemente ist, die beispielsweise als Wheatstonesche Vollbrücke beschaltet werden, dass die Dimensionen der Drucksensorelemente sowie die Bedingungen die zu einem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt der jeweiligen Kontaktflächen führen, unterschiedlich gestaltet sein können. So kann beispielsweise bei dem zweiten Drucksensorelement ebenfalls ein somit drittes Abstandselement welches direkt oder indirekt an der dann zweiten Membran angeordnet ist. Das vorgesehene dritte Kontaktelement kann dabei derart am zum Kavernenboden hin gerichteten Ende des dann dritten Abstandselement angeordnet sein, dass es bei einer Durchbiegung auf ein viertes Kontaktelement trifft, welches auf dem Kavernenboden angebracht ist, um den elektrischen Kontakt zu schließen. Alternativ kann selbstverständlich auch ein viertes Abstandselement vorgesehen sein, welches auf dem Kavernenboden angebracht ist und an seinem zur Membran hin gerichteten Ende das vierte Kontaktelement aufweist. In diesem Fall ist an der Membran das dritte Kontaktelement vorgesehen.The advantage of such a configuration using at least two pressure sensor elements, which are connected as a full Wheatstone bridge, for example, is that the dimensions of the pressure sensor elements and the conditions that lead to mechanical and/or electrical contact of the respective contact surfaces can be designed differently. For example, in the case of the second pressure sensor element, there can also be a third spacer element which is arranged directly or indirectly on what is then the second membrane. The third contact element provided can be arranged at the end of the then third spacer element pointing towards the cavern floor in such a way that, when it bends, it meets a fourth contact element, which is attached to the cavern floor in order to close the electrical contact. Alternatively, of course, a fourth spacer element can also be provided, which is attached to the cavern floor and has the fourth contact element at its end directed towards the membrane. In this case, the third contact element is provided on the membrane.
Die beiden Drucksensorelemente können das gleiche oder unterschiedliche Druckerfassungsprinzip aufweisen. Bei der Verwendung eines kapazitiven Messprinzips auch beim zweiten Drucksensorelement können bei diesem ebenfalls eine dritte Elektrode, gegebenenfalls mit einem zugeordneten dritten Kontaktelement vorgesehen sein. Entsprechend kann auf dem Kavernenboden eine vierte Elektrode mit einem gegebenenfalls vierten Kontaktelement vorgesehen sein. Auch in diesem Fall ist darauf zu achten, dass die Elektroden und die Kontaktelemente elektrisch voneinander isoliert sind.The two pressure sensor elements can have the same or different pressure detection principles. If a capacitive measuring principle is also used for the second pressure sensor element, a third electrode, possibly with an associated third contact element, can also be provided for this. Accordingly, a fourth electrode with an optionally fourth contact element can be provided on the cavern floor. In this case too, care must be taken to ensure that the electrodes and the contact elements are electrically insulated from one another.
Wie bereits ausgeführt, können sich die beiden Drucksensorelemente durch deren unterschiedlich dimensionierten Aufbau voneinander unterscheiden. Hierbei können sich beispielsweise die Abstandselemente beider Drucksensorelemente in ihrer im Wesentlichen vertikalen Ausdehnung in Ihren Abmessungen unterscheiden, während der übrige Aufbau, zum Beispiel die Membranfläche und der Abstand der Membran oder der Elektrode vom Kavernenboden ansonsten gleich ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich die Kontaktflächen, die einer der Membranen zugeordnet sind, schon vor den Kontaktflächen der anderen Membran treffen und somit einen elektrischen Kontakt bilden. Hierdurch lassen sich die Abstände zum Beispiel der Elektroden unterschiedlich gestalten, um eine größere Spreizung oder mehrere Druckbereichserfassungen zu realisieren. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass sich die Steifigkeiten, das heißt die Beweglichkeit beider Membranen unterscheiden, so dass auch durch eine derartige Ausgestaltung unterschiedliche Druckabhängigkeiten realisiert werden können, insbesondere zur Realisierung sich überlappender Drucksensorbereiche.As already explained, the two pressure sensor elements can differ from one another due to their differently dimensioned structure. Here, for example, the spacer elements of both pressure sensor elements can differ in their dimensions in their essentially vertical extension, while the rest of the structure, for example the membrane surface and the distance of the membrane or the electrode from the cavern floor, is otherwise the same. In this way it can be achieved that the contact surfaces that are assigned to one of the membranes meet before the contact surfaces of the other membrane and thus form an electrical contact. As a result, the distances between the electrodes, for example, can be designed differently in order to achieve a larger spread or multiple pressure range detections. In addition, it can also be provided that the rigidities, that is to say the mobility of the two membranes, differ, so that different pressure dependencies can also be realized by such a configuration, in particular for the realization of overlapping pressure sensor areas.
Weiterhin wird für das erfindungsgemäße wenigstens eine Drucksensorelement oder das Drucksensorsystem ein Verfahren zur Erzeugung eines Drucksensorsignals beansprucht. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Bewegung der Membran bis zu einem ersten Druck keinen elektrischen Kontakt des mit der Membran verbundenen ersten Kontaktelements mit dem zweiten Kontaktelement erzeugt. So kann in einem ersten Betriebsmodus das Verfahren das Drucksensorsignal in Abhängigkeit der Bewegung der Membran ableiten, bestimmen oder erzeugen. Bei Erkennung und/oder Vorlage eines elektrischen Kontakts zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement kann das Verfahren weiterhin das Drucksensorsignal auf der Basis der druckabhängigen Bewegung der Membran ableiten, bestimmen oder erzeugen. Da diese Bewegung der Membran jedoch aufgrund der verkleinerten Angriffsfläche des Drucks auf die Membran eine andere Druckabhängigkeit zeigt, wird das Drucksensorsignal im zweiten Betriebsmodus mit einem andere Gewichtungsfaktor oder Parameter als im ersten Betriebsmodus abgeleitet, bestimmt oder erzeugt.Furthermore, a method for generating a pressure sensor signal is claimed for the at least one pressure sensor element or the pressure sensor system according to the invention. This makes use of the fact that the movement of the membrane up to a first pressure does not produce any electrical contact between the first contact element connected to the membrane and the second contact element. In a first operating mode, the method can derive, determine or generate the pressure sensor signal as a function of the movement of the membrane. Upon detection and/or presentation of an electrical contact between the first and second contact element, the method can further derive, determine or generate the pressure sensor signal on the basis of the pressure-dependent movement of the membrane. However, since this movement of the membrane shows a different pressure dependency due to the reduced area of application of the pressure on the membrane, the pressure sensor signal is derived, determined or generated in the second operating mode with a different weighting factor or parameter than in the first operating mode.
In einer Ausgestaltung der Erfindung können weitere Betriebsmodi in Abhängigkeit der Vorlage oder Erkennung jeweils weiterer elektrischer Kontakte weiterer Kontaktelemente vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um die elektrischen Kontakte von Kontaktelementen handeln, die bei einem zweiten Drucksensorelement vorliegen.In one embodiment of the invention, further operating modes can be provided depending on the presentation or detection of further electrical contacts of further contact elements. This can be, for example, the electrical contacts of contact elements that are present in a second pressure sensor element.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der verwendeten Betriebsmodi das Drucksensorsignals in Abhängigkeit der druckabhängigen Bewegung zweier unterschiedlicher Drucksensorelemente erzeugt. So kann kann vorgesehen sein, dass im zweiten Betriebsmodus die druckabhängige Bewegung einer zweiten Membran in einem zweiten Drucksensorelement für die Erzeugung des Drucksensorsignals herangezogen wird.In general, it can be provided that at least two of the operating modes used generate the pressure sensor signal as a function of the pressure-dependent movement of two different pressure sensor elements. It can thus be provided that in the second operating mode the pressure-dependent movement of a second membrane in a second pressure sensor element is used to generate the pressure sensor signal.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages result from the following description of exemplary embodiments and from the dependent patent claims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den
Das erste mikromechanische Drucksensorelement 20 weist eine Membran 140 auf, die eine Kaverne 145 überspannt. Sowohl die Membran, die Kaverne als auch die weiteren noch zu beschreibenden Elemente oder Komponenten des Drucksensorelements sind durch gängige mikromechanische Verfahren herstellbar, wie beispielsweise Ätzverfahren, Verwendung von Opferschichten, Epitaxie, Trenchätzverfahren oder Bondprozessen. An der Membranunterseite ist zum Beispiel in Form einer Bossmembran eine Befestigung 100 oder Versteifung der Membran 140 vorgesehen, an deren unterem Ende eine erste Elektrode 115 angeordnet ist, die in Richtung einer am Boden 165 der Kaverne 145 angebrachten zweiten Elektrode 110 gerichtet ist. Zusammen bilden die erste und zweite Elektrode 115 und 110 die erste Messkapazität 40. Im kräftefreien Zustand, das heißt ohne dass ein Druck eines Mediums an die Membran 140 anliegt, kann durch eine entsprechende Gestaltung ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode eingestellt werden. Dieser Abstand, der durch den anliegenden Druck verringert wird und somit eine Kapazitätsänderung in den Elektroden 110 und 115 erzeugt, kann als erste Messkapazität des ersten Drucksensorelements 20 zur Ableitung eines Drucksensorsignals genutzt werden. Dem Drucksensorelement 20 kann als Referenz eine Referenzkapazität 50 bestehend aus einer starren und nicht beweglichen oberen Elektrode 150 und einer unteren, ebenfalls starren Elektrode 155 in einem gemeinsamen Gehäuse 170 oder einem Trägersubstrat zugeordnet sein.The first micromechanical
Das in der
In der
Es sei noch erwähnt, dass ein Aufsitzen der beiden Elektroden zu einem Kurzschluss der einen Messkapazität führen kann, wobei die Ausgangsspannung der Auswertebrücke in etwa bei der halben Versorgungsspannung liegt und ein Kurzschluss der zweiten Messkapazität zu einer Ausgangsspannung der vollen Brückenkapazität führt. Dieses Verhalten kann auch - ohne weitere Anschlüsse auf dem MEMS - als Interrupt für die Auswerteschaltung verwendet werden. Im Stromsparmodus kann die Brücke des MEMS ohne großen Stromverbrauch mit Spannung versorgt werden, da diese rein kapazitiv ist und somit keinen relevanten Leckstrom aufweist.It should also be mentioned that if the two electrodes touch one another, this can lead to a short circuit in one of the measuring capacitances, with the output voltage of the evaluation bridge being approximately half the supply voltage, and a short circuit in the second measuring capacitance leading to an output voltage of the full bridge capacitance. This behavior can also be used - without additional connections on the MEMS - as an interrupt for the evaluation circuit. In power-saving mode, the bridge of the MEMS can be supplied with voltage without high power consumption, since it is purely capacitive and therefore has no relevant leakage current.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der
Wird nun an das Drucksensorsystem 10 der
Optional können die Kontaktelemente auch abseits der Elektroden angebracht sein. Hierzu wird gemäß der
Anhand der
Durch eine Variation der Länge der Abstandselemente oder auch der Steifigkeit der Membranen 140 und 240 lassen sich auch in diesem Beispiel unterschiedliche Druckbereiche durch die beiden Messkapazitäten erfassen. Eine weitere Möglichkeit, die Erfassungsbereiche der beiden Drucksensorelemente unterschiedlich zu gestalten, wird in der
Generell kann die vorliegende Ausgestaltung der Erfindung auch bei der Verwendung von Piezowiderständen zur Erfassung der Durchbiegung auf oder in der Membran verwendet werden. Hierzu sind dann im Wesentlichen die erwähnten Abstandselemente an der Membran und/oder dem Kavernenboden anzubringen.In general, the present embodiment of the invention can also be used when using piezoresistors to detect the deflection on or in the membrane. For this purpose, the above-mentioned spacer elements are then essentially to be attached to the membrane and/or the cavern floor.
Die Kontaktelemente können bei allen Ausführungen auch als Piezoelemente ausgestaltet sein, die durch das mechanische Aufsetzen einen elektrischen Impuls abgeben. Hierbei kann vorgesehen sein, dass lediglich eine Seite des Kontaktelements als Piezoelements ausgestaltet ist und die andere Seite derart gestaltet ist, dass sie die Erzeugung des Piezoeffekt fördert.In all versions, the contact elements can also be designed as piezo elements, which emit an electrical pulse when they are mechanically placed. It can be provided that only one side of the contact element is designed as a piezo element and the other side is designed in such a way that it promotes the generation of the piezo effect.
Wie bereits vorstehend ausgeführt kann die Erfindung dazu genutzt werden, unterschiedliche Druckbereiche mit voneinander verschiedenen Druckabhängigkeiten zu realisieren. Der Übergang von einem Druckbereich in einen anderen kann dabei durch die Erfassung des elektrischen Kontaktschlusses detektiert werden. Darüber hinaus ist jedoch auch eine Auswertung des Verhaltens der ersten und zweiten Messkapazität möglich, um den Übergang zu detektieren. Eine entsprechende Auswerteeinheit 400, die ein Auswerteverfahren durchführt, ist in der
Hierbei weist die Auswerteeinheit 400 einen Speicher 410 auf, in dem die erfassten Messkapazitäten, elektrischen Kontaktschlüsse aber auch die abgeleiteten Druckgrößen abgespeichert werden können. Die entsprechenden Messwerte werden von der ersten Messkapazität 420 beziehungsweise 40 und/oder der zweiten Messkapazität 430 beziehungsweise 60 eingelesen. Zur Erfassung von Referenzwerten können ebenfalls die Messwerte der Referenzkapazitäten 50 und 70 eingelesen werden. Zur Erfassung des Übergangs von einem in den anderen Druckbereich werden die elektrischen Kontaktschlüsse der ersten und zweiten Kontaktelemente 440 und/oder der dritten und vierten Kontaktelemente 450 erfasst. Die so erfassten Kontaktschlüsse können in der Auswerteeinheit 400 dazu verwendet werden, die Auswertung von einer Druckabhängigkeit auf eine andere umzuschalten. Je nach Ausgestaltung des wenigstens einen Drucksensorelements 20 beziehungsweise des Zusammenwirkens mit wenigstens einem zweiten Drucksensorelement 30 kann auch ein Übergang erkannt werden, bei dem ein Druckwert sowohl mittels der ersten als auch der zweiten Messkapazität erfasst werden kann. In diesem Fall kann durch die zweite Messwerterfassung eine Überprüfung des erfassten Druckwerts erfolgen. Wie bereits geschildert kann die abgeleitet Druckgröße beziehungsweise der Druckwert in einem Speicher 420 für eine entsprechende Abfrage oder für eine Weiterverarbeitung abgespeichert werden. Darüber hinaus ist jedoch auch eine direkte Weiterleitung an ein weiteres System 460 zum Beispiel eine druckabhängige Steuerung möglich. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine Anzeige 470 des Drucks möglich.In this case, the
Anhand der Beschaltung der Messkapazitäten des erfindungsgemäßen Drucksensors mittels einer Wheatstone'schen Brückenschaltung kann die Funktionsweise der Erzeugung eines Drucksensorsignals verdeutlich werden. Jeweils eine Messkapazität und eine Referenzkapazität eines Drucksensorelements bilden hierbei eine Halbbrücke. Die Versorgung dieser Wheatstone'schen Brückenschaltung erfolgt über eine Versorgungsspannung 500. Über einen Mittelabgriff 510 erfolgt der Abgriff des Drucksensorsignals.The functioning of the generation of a pressure sensor signal can be clarified on the basis of the wiring of the measuring capacitances of the pressure sensor according to the invention by means of a Wheatstone bridge circuit. In this case, a measuring capacitance and a reference capacitance of a pressure sensor element form a half-bridge. This Wheatstone bridge circuit is supplied via a
Im Beispiel der
Auch eine Ausführung mit zwei unterschiedlich ausgestalteten Drucksensorelementen 20 und 30, wie es in den
Statt lediglich zwei unterschiedlichen Druckbereichen mit jeweils einer eigenen Druckabhängigkeit können mit den Aufbauten der
Mit den vorstehende beschriebenen Ausführungen gemäß der Beschaltung des wenigstens einen Drucksensorelements lässt sich ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung eines Drucksensorsignals beschreiben. Hierbei wird das Drucksensorsignal basierend auf der erkannten druckabhängigen Bewegung wenigstens einer Membran abgeleitet. Zusätzlich kann das Verfahren die insbesondere elektrische Kontaktierung zweier zugeordneter Kontaktelemente erkennen, um daraus die verschiedenen Druckbereiche abzuleiten. Bei der Ableitung können die verschiedenen Druckabhängigkeiten der Membranbewegungen berücksichtigt werden, zum Beispiel indem größere oder kleinere Gewichtungsfaktoren oder Parameter verwendet werden. So kann beispielsweise das ausgegebene normiert oder kontinuierlich dargestellt werden. Auch eine Umschaltung der Linearisierung- oder Kompensationsfunktion bei den verschiedenen Druckbereichen in Abhängigkeit der erkannten Kontaktierung der jeweiligen Kontaktelemente ist möglich.A method for generating a pressure sensor signal can also be described with the above-described embodiments according to the wiring of the at least one pressure sensor element. Here, the pressure sensor signal is derived based on the detected pressure-dependent movement of at least one membrane. In addition, the method can recognize the electrical contacting of two associated contact elements, in particular, in order to derive the different pressure ranges from this. The different pressure dependencies of the membrane movements can be taken into account in the derivation, for example by using larger or smaller weighting factors or parameters. For example, the output can be normalized or displayed continuously. It is also possible to switch over the linearization or compensation function for the different pressure ranges depending on the detected contacting of the respective contact elements.
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